Номер 2, страница 338 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. Сверхпроводимость. История открытия. Свойства сверхпроводников. Теория сверхпроводимости. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости. Применение сверхпроводников.

Сверхпроводимость

Сверхпроводимость — это физическое явление, наблюдаемое у некоторых материалов при охлаждении до определённой, так называемой критической температуры ($T_c$). Оно заключается в полном исчезновении электрического сопротивления и выталкивании магнитного поля из объёма материала. Материалы, способные переходить в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками.

Ответ: Сверхпроводимость — это свойство некоторых материалов, проявляющееся при низких температурах, которое характеризуется нулевым электрическим сопротивлением и выталкиванием магнитного поля (эффект Мейснера).

История открытия

Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом в Лейденской лаборатории. Исследуя электрическое сопротивление ртути при сверхнизких температурах, достижимых благодаря недавно полученному им сжиженному гелию, он обнаружил, что при температуре около 4,2 К (–268,95 °C) электрическое сопротивление ртути не просто становилось очень малым, а скачкообразно падало до нуля (ниже предела точности измерительных приборов). Этот эксперимент ознаменовал рождение новой области физики конденсированного состояния. За свои исследования низких температур, которые привели к открытию сверхпроводимости, Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии по физике в 1913 году.

Ответ: Сверхпроводимость была открыта Хейке Камерлинг-Оннесом в 1911 году при изучении электрических свойств ртути, охлажденной до температуры жидкого гелия (4,2 К).

Свойства сверхпроводников

Сверхпроводники обладают рядом уникальных фундаментальных свойств:

1. Нулевое электрическое сопротивление. Ниже критической температуры ($T_c$) сопротивление материала становится равным нулю. Это означает, что электрический ток, однажды запущенный в замкнутом сверхпроводящем контуре, может циркулировать в нём неограниченно долго без затухания и потерь энергии.

2. Эффект Мейснера. Открытый в 1933 году Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом, этот эффект заключается в полном выталкивании магнитного поля из объёма сверхпроводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводник ведёт себя как идеальный диамагнетик с магнитной проницаемостью $\mu=0$. Это свойство отличает сверхпроводник от идеального проводника (у которого сопротивление равно нулю, но который не выталкивает уже существующее в нём поле).

3. Критические параметры. Сверхпроводящее состояние существует только в определённом диапазоне температуры, напряжённости магнитного поля и плотности тока. При превышении одного из этих критических значений материал переходит в обычное (нормальное) состояние:

• Критическая температура ($T_c$): максимальная температура, при которой материал может быть сверхпроводником.
• Критическое магнитное поле ($H_c$): максимальное внешнее магнитное поле, при котором материал сохраняет сверхпроводимость. Зависимость от температуры примерно описывается формулой $H_c(T) \approx H_c(0) \cdot (1 - (T/T_c)^2)$.
• Критическая плотность тока ($J_c$): максимальная плотность тока, который может протекать через сверхпроводник без разрушения сверхпроводящего состояния.

4. Типы сверхпроводников. Различают сверхпроводники I и II рода.

• Сверхпроводники I рода (в основном чистые металлы, как свинец, ртуть) характеризуются одним критическим полем $H_c$. При достижении этого поля они резко переходят в нормальное состояние, полностью теряя сверхпроводящие свойства.
• Сверхпроводники II рода (сплавы, керамики) имеют два критических поля: $H_{c1}$ и $H_{c2}$. В диапазоне полей между $H_{c1}$ и $H_{c2}$ материал находится в смешанном состоянии: магнитное поле частично проникает в него в виде квантованных вихрей (вихри Абрикосова), но сопротивление остаётся нулевым. Полный переход в нормальное состояние происходит только при поле $H > H_{c2}$. Сверхпроводники II рода способны выдерживать гораздо более сильные магнитные поля, что делает их незаменимыми для практических применений.

Ответ: Основные свойства сверхпроводников — нулевое электрическое сопротивление, выталкивание магнитного поля (эффект Мейснера), а также существование критических значений температуры, магнитного поля и плотности тока, при превышении которых сверхпроводимость разрушается. Различают сверхпроводники I и II рода с разным поведением в магнитном поле.

Теория сверхпроводимости

Микроскопическое объяснение явления сверхпроводимости было дано в 1957 году американскими физиками Джоном Бардином, Леоном Купером и Джоном Шриффером. Их теория получила название теории БКШ (по первым буквам фамилий).

Ключевая идея теории БКШ заключается в том, что при температурах ниже $T_c$ электроны проводимости в кристаллической решётке объединяются в пары — так называемые куперовские пары. Это происходит благодаря взаимодействию электронов с колебаниями кристаллической решётки (фононами). Движущийся электрон деформирует решётку, создавая локальную область с избыточным положительным зарядом. Эта область притягивает другой электрон, в результате чего между двумя электронами возникает эффективное притяжение, которое на малых расстояниях преодолевает их кулоновское отталкивание.

Куперовская пара (состоящая из двух фермионов-электронов) ведёт себя как бозон (частица с целым спином). При низких температурах совокупность таких пар может сконденсироваться в единое макроскопическое квантовое состояние (аналог бозе-эйнштейновской конденсации). В этом состоянии все пары движутся согласованно, как единое целое. Для того чтобы рассеять такой коллективный поток, необходимо "разрушить" хотя бы одну пару, на что требуется затратить конечную энергию, называемую энергетической щелью. При низких скоростях движения и отсутствии сильных внешних воздействий энергии для разрушения пар недостаточно, поэтому поток движется без столкновений с дефектами решётки и фононами, что и проявляется как нулевое сопротивление.

Ответ: Теория сверхпроводимости (теория БКШ) объясняет это явление образованием куперовских пар электронов, которые, будучи бозонами, конденсируются в единое квантовое состояние и движутся сквозь кристалл без рассеяния, что приводит к отсутствию электрического сопротивления.

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости

Долгое время считалось, что сверхпроводимость возможна лишь при температурах, близких к абсолютному нулю (не выше 23,2 К для сплава Nb₃Ge). Ситуация кардинально изменилась в 1986 году, когда сотрудники IBM Георг Беднорц и Карл Мюллер обнаружили сверхпроводимость в керамическом материале на основе оксидов лантана, бария и меди (La-Ba-Cu-O) при рекордной на тот момент температуре около 35 К. Это открытие, удостоенное Нобелевской премии всего через год, в 1987 году, положило начало эре высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП).

Настоящий прорыв произошел в 1987 году, когда группа под руководством Пола Чу синтезировала иттрий-бариевую медную керамику YBa₂Cu₃O₇ (YBCO) с критической температурой около 92 К. Это значение впервые превысило температуру кипения жидкого азота (77 К). Таким образом, для охлаждения стало возможным использовать дешевый и доступный жидкий азот вместо дорогого и сложного в обращении жидкого гелия. В последующие годы были открыты и другие классы ВТСП-материалов с еще более высокими значениями $T_c$, достигающими 138 К при атмосферном давлении. Механизм ВТСП до сих пор не имеет общепринятого теоретического объяснения и является одной из самых актуальных проблем современной физики.

Ответ: Высокотемпературная сверхпроводимость была открыта в 1986 году Беднорцем и Мюллером. Ключевым достижением стало создание материалов с критической температурой выше точки кипения жидкого азота (77 К), что значительно удешевило и упростило технологию охлаждения.

Применение сверхпроводников

Уникальные свойства сверхпроводников открыли возможности для их применения в самых разных областях науки и техники:

1. Сильноточные устройства и магниты. Способность проводить огромные токи без потерь делает сверхпроводники идеальным материалом для создания мощных электромагнитов. Они используются в:

• Медицине: аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ).
• Научных исследованиях: ускорители заряженных частиц (например, Большой адронный коллайдер), установки для изучения термоядерного синтеза (токамаки), спектрометры ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
• Транспорте: поезда на магнитной левитации (маглев), которые парят над рельсами, что позволяет развивать очень высокие скорости.

2. Энергетика.

• Линии электропередачи (ЛЭП): сверхпроводящие кабели позволяют передавать электроэнергию на большие расстояния без джоулевых потерь, что значительно повышает КПД энергосистем.
• Накопители энергии (SMES): системы для хранения энергии в магнитном поле сверхпроводящей катушки с высокой эффективностью.
• Электродвигатели и генераторы: создание более компактных, легких и мощных электрических машин.

3. Слаботочная электроника.

• СКВИДы (SQUID - Superconducting Quantum Interference Device): сверхчувствительные магнитометры, способные измерять чрезвычайно слабые магнитные поля. Применяются в медицине для магнитоэнцефалографии (исследование магнитных полей мозга) и в геофизике.
• Квантовые компьютеры: сверхпроводящие кубиты являются одной из наиболее перспективных платформ для создания квантовых процессоров.
• Фильтры для телекоммуникаций: используются в базовых станциях сотовой связи для улучшения качества сигнала.

Ответ: Сверхпроводники применяются для создания мощных магнитов (МРТ, ускорители), в транспорте (поезда-маглев), энергетике (ЛЭП без потерь, накопители энергии), а также в высокочувствительной электронике (СКВИДы) и для разработки квантовых компьютеров.